本篇文章將介紹Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的基本知識(shí)，帶你快速撥開(kāi)Linux驅(qū)動(dòng)這團(tuán)迷霧。文章分為如下3個(gè)小節(jié)進(jìn)行講解:

1、設(shè)備驅(qū)動(dòng)的概念和作用；

2、在無(wú)操作系統(tǒng)和有操作系統(tǒng)的情況下設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)；

3、Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的重點(diǎn)、難點(diǎn)和學(xué)習(xí)方法。

文章最后會(huì)給出一個(gè)簡(jiǎn)單的LED驅(qū)動(dòng)在無(wú)操作系統(tǒng)和Linux操作系統(tǒng)下的實(shí)現(xiàn)示例。

好，Let's go

1、設(shè)備驅(qū)動(dòng)的概念和作用

大家都知道在Linux開(kāi)發(fā)中是一個(gè)分層的思想，也就是說(shuō)應(yīng)用層、操作系統(tǒng)層、驅(qū)動(dòng)層和硬件層分別獨(dú)立，然后為上一層提供API接口。對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)通俗一點(diǎn)的解釋就是：驅(qū)使硬件設(shè)備行動(dòng)。驅(qū)動(dòng)與底層硬件直接打交道，按照硬件設(shè)備的具體工作方式，讀寫(xiě)其寄存器，完成設(shè)備輪詢、中斷處理和DMA通信等。設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)際上充當(dāng)了硬件和應(yīng)用軟件之間的紐帶，在系統(tǒng)沒(méi)有操作系統(tǒng)的情況下工程師可以根據(jù)硬件設(shè)備的特點(diǎn)自行定義接口，如對(duì)串口定義SerialSend()、SerialReceive()，對(duì)繼電器定義RelayOn()、RelayOff()等。而在有操作系統(tǒng)的情況下，驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)則由操作系統(tǒng)定義，因?yàn)轵?qū)動(dòng)架構(gòu)也屬于操作系統(tǒng)內(nèi)核的一部分，驅(qū)動(dòng)工程師必須按照相應(yīng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)，這樣的話驅(qū)動(dòng)才能融入操作系統(tǒng)內(nèi)核中，并正常運(yùn)行。

2、在無(wú)操作系統(tǒng)和有操作系統(tǒng)的情況下設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

2.1、無(wú)操作系統(tǒng)的情況下

事實(shí)上，在許多情況下我們的程序也運(yùn)行在無(wú)操作系統(tǒng)的環(huán)境中(裸機(jī)程序)，因?yàn)閷?duì)于那些功能比較單一、控制并不復(fù)雜的系統(tǒng)不需要多任務(wù)調(diào)度和文件系統(tǒng)等復(fù)雜的功能，用單任務(wù)架構(gòu)完全可以很好的實(shí)現(xiàn)我們的需求，也就是在一個(gè)無(wú)限循環(huán)(單片機(jī)編程中的while(1)死循環(huán))中夾雜著對(duì)設(shè)備中斷的檢測(cè)或者對(duì)設(shè)備的輪詢。這一部分的知識(shí)相信有過(guò)單片機(jī)編程經(jīng)驗(yàn)的朋友一定非常熟悉了，下面是這種單任務(wù)軟件的架構(gòu)：

主函數(shù)

在這樣的系統(tǒng)中，雖然不存在操作系統(tǒng)，但是設(shè)備驅(qū)動(dòng)必須存在。一般情況下每一種設(shè)備驅(qū)動(dòng)都會(huì)定義成一個(gè)軟件模塊，包含.c文件和.h文件。

2.2、有操作系統(tǒng)的情況下

當(dāng)包含操作系統(tǒng)時(shí)，我們還需要將驅(qū)動(dòng)融入內(nèi)核，為了實(shí)現(xiàn)這種融合，必須在所有設(shè)備的驅(qū)動(dòng)中設(shè)計(jì)提供給操作系統(tǒng)內(nèi)核的接口，這類接口由操作系統(tǒng)規(guī)定(這是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，在后續(xù)更新的文章中會(huì)由淺及深的說(shuō)明)。所以，存在操作系統(tǒng)的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)便成為了連接硬件和Linux內(nèi)核的橋梁。當(dāng)設(shè)備成功注冊(cè)到系統(tǒng)中，也就是讓系統(tǒng)知道了我們需要使用的設(shè)備的存在之后，Linux會(huì)將設(shè)備映射到文件系統(tǒng)的文件和目錄中，然后通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用的接口open()、write()、read()、close()等即可訪問(wèn)我們的設(shè)備。

3、Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的重點(diǎn)、難點(diǎn)和學(xué)習(xí)方法

Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)是一項(xiàng)浩繁和長(zhǎng)久的過(guò)程，其中包含了如下重點(diǎn)和難點(diǎn)：

1、編寫(xiě)Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)要求工程師有一定的硬件基礎(chǔ)；

2、編寫(xiě)Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)要求工程師有非常好的C語(yǔ)言基礎(chǔ)，能靈活的運(yùn)用C語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)體、指針以及內(nèi)存動(dòng)態(tài)申請(qǐng)和釋放等；

3、編寫(xiě)Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)要求工程師有一定的Linux內(nèi)核基礎(chǔ)，并不要求對(duì)內(nèi)核的各個(gè)部分有深入的研究，但至少我們要明白驅(qū)動(dòng)程序與內(nèi)核的接口；

4、編寫(xiě)Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)要求工程師有多任務(wù)并發(fā)控制和同步的基礎(chǔ)，因?yàn)樵隍?qū)動(dòng)中會(huì)大量的使用自旋鎖、互斥、信號(hào)量和等待隊(duì)列等并發(fā)與同步機(jī)制。

看到這里，相信你已經(jīng)對(duì)Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)有了基本的認(rèn)識(shí)，首先我們要明白，Linux驅(qū)動(dòng)程序是門(mén)檻最高難度最大的一部分，當(dāng)然薪資也是相對(duì)最高的，所以只要我們掌握了方法堅(jiān)持學(xué)習(xí)下去，一定可以撥開(kāi)這團(tuán)迷霧看見(jiàn)陽(yáng)光。筆者會(huì)定期更新關(guān)于嵌入式Linux和C語(yǔ)言在開(kāi)發(fā)和學(xué)習(xí)中的經(jīng)驗(yàn)和技巧。歡迎關(guān)注！

文章的最后，給出LED驅(qū)動(dòng)在無(wú)操作系統(tǒng)和Linux操作系統(tǒng)下的實(shí)現(xiàn)示例，以供大家作以比較。LED一般直接由CPU的GPIO口控制，GPIO一般由兩組寄存器控制，即一組控制寄存器和一組數(shù)據(jù)寄存器。控制寄存器可設(shè)置GPIO口的工作方式為輸入或輸出。當(dāng)引腳被設(shè)置為輸出時(shí)，向數(shù)據(jù)寄存器的對(duì)應(yīng)位寫(xiě)入1和0分別在引腳上產(chǎn)生高電平和低電平；當(dāng)引腳設(shè)置為輸入時(shí)，讀取數(shù)據(jù)寄存器的對(duì)應(yīng)位可獲得引腳上的電平高低。

在無(wú)操作系統(tǒng)時(shí)的LED驅(qū)動(dòng)如下：

上述程序中的LedInit()、LedOn()、LedOff()都直接作為驅(qū)動(dòng)提供給應(yīng)用程序使用。

在Linux下，我們使用字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的框架來(lái)編寫(xiě)對(duì)應(yīng)于上圖中的LED驅(qū)動(dòng)程序，為了遵循Linux編程的命名習(xí)慣，重新將其命名為led_init()、led_on()、led_off()，注意：你現(xiàn)在并不需要能夠讀懂下圖中的這些代碼，我在后續(xù)的文章更新中會(huì)繼續(xù)講解說(shuō)明。

Linux操作系統(tǒng)下的LED驅(qū)動(dòng)程序：

在這里，我們只需要有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)即可，那就是上圖中陌生的結(jié)構(gòu)和元素都是Linux內(nèi)核為設(shè)備定義的，在后面的學(xué)習(xí)中，我們只需要會(huì)使用即可(都是套路)。